JP6646813B2 - 携帯端末充電装置 - Google Patents

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Description

本発明は、携帯電話などの携帯端末を充電するための携帯端末充電装置と、それを搭載した自動車に関する。
携帯電話等の携帯端末は、その機能が極めて高くなり、それにつれて電力消費も大きくなっている。
したがって、自動車内を含め、各所で充電が行えることが求められているが、近年の傾向として、ケーブルを使わずに、いわゆるワイヤレス充電が行える携帯端末充電装置が脚光を浴びている。
すなわち、このような充電装置は、表面側が携帯端末設置部となった支持板と、この支持板の裏面側に、この支持板に対向して配置された充電コイルとを備える。携帯端末設置部に携帯端末が置かれると、充電コイルからの磁束で、携帯端末への充電を行うことが出来るようになっているのである(これに類似するものとしては、例えば下記特許文献1が存在する)。
特表2012−523814号公報
本発明は、電力のロスを低減し、さらに、電磁波を利用する他の機器への悪影響を抑えた携帯端末充電装置を提供する。
本発明の一態様による携帯端末充電装置は、複数の充電コイルと、複数の検出コイルと、これらの充電コイルおよび検出コイルに電気的に接続された制御部とを有する。制御部は、複数の検出コイルを駆動し、駆動時に複数の検出コイルにより検出されるインピーダンス変化を監視する。そして、複数の充電コイルのうち、インピーダンス変化を検出した検出コイルに対応する充電コイルを選択し、選択された充電コイルから磁界を出力させる。この磁界に呼応して携帯端末との間で取り決められた応答信号を受信した場合、選択された充電コイルを用いて携帯端末を充電する。
また、本発明の一態様は、上記の携帯端末充電装置を搭載した自動車である。
本発明に係る携帯端末充電装置によれば、携帯端末の位置を検出する際のピング動作を減らすことができるため、電力ロスが小さく、また、電磁波を使用する他の機器への影響を抑えることができる。
本発明の実施の形態1による携帯端末充電装置を自動車の車内に設置した状態を示す斜視図 図1に示す携帯端末充電装置の斜視図 図2に示す携帯端末充電装置に携帯端末が置かれた状態を示す斜視図 図2に示す携帯端末充電装置の透視側面図 図2に示す携帯端末充電装置の一部を示す図 図2に示す携帯端末充電装置の他の一部を示す図 図2に示す携帯端末充電装置の制御ブロック図 図2に示す携帯端末充電装置の動作フローチャート 図2に示す携帯端末充電装置の構造および動作例を示す図 本発明の実施の形態2による携帯端末充電装置の構造および動作例を示す図
本発明の実施の形態の説明に先立ち、従来の携帯端末充電装置(以下、充電装置)における問題点を説明する。特許文献1に記載された充電装置では、マルチコイル方式が採用されている。マルチコイル方式では、複数の充電コイルのうち、携帯端末が置かれた位置に対応する一部のコイルのみを充電に使用する。
具体的には、特許文献1では、二次デバイス(充電対象)が充電装置の上に置かれたこと、およびその位置を検知するために、各充電コイルで順番に短い時間の磁界出力(ピング Ping)を行う。二次デバイスが充電面に置かれている場合には、ピングに反応して二次デバイスから二次デバイスの情報が充電装置に送信される。そして充電装置がそれを受け取ることで通信が成立し、本格的に充電が開始される。このとき、充電装置の複数の充電コイルの内、二次デバイスから送信された情報の受信強度が高かったコイルが選択され、この選択されたコイルを用いて充電が行われる。このため、二次デバイスが置かれた位置に対応する充電コイルのみが本格的な充電に使用される。
しかし、この方式では、二次デバイスが充電装置に設置されていない間も常に、各充電コイルがピングを繰り返す。そのため、空気中に磁界を発生させ、電力のロスが大きい。
また、充電装置が自動車に搭載されることを想定した場合、ピングにより繰り返し発生する磁界が、電磁波を利用する他の車載機器へ悪影響を及ぼす虞がある。例えば車載ラジオの周波数帯へ干渉して音声を劣化させる。
以下、本発明の実施の形態による携帯端末充電装置、およびそれを自動車に搭載した例を、図面を参照しながら説明する。
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1による携帯端末充電装置5を自動車の車室2内に設置した状態を示す斜視図、図2は、携帯端末充電装置5の斜視図、図3は、携帯端末充電装置5に携帯端末23が置かれた状態を示す斜視図である。
図1において、自動車1の車室2内の前方にはハンドル3が設置されている。また、ハンドル3の側方には、音楽や、映像の再生と、カーナビゲーション映像等を映し出す電子機器4が設置されている。さらに、車室2内の電子機器4の後方には、携帯端末充電装置5が設置されている。
図2に示すように、携帯端末充電装置5は、上部に支持板6を配置した箱型の本体ケース7を有する。図3に示すように、支持板6上面(携帯端末設置部)に携帯端末23を設置することにより、携帯端末23をワイヤレスで充電することができる。
次に、本体ケース7の内部について詳細に説明する。図4は、本体ケース7を透視して示した側面図である。本体ケース7の内部には、複数の充電コイルが形成された充電コイル基板8と、複数の検出コイルが形成された検出コイル基板9とが搭載されている。さらに、充電コイル、および検出コイルと電気的に接続された制御部10が搭載されている。
図5、図6はそれぞれ、携帯端末充電装置5の一部である充電コイル基板8、検出コイル基板9を示す図である。
図5に示すように、充電コイル基板8には、複数の充電コイル11が形成されている。本実施の形態では、5つの充電コイルLc1〜Lc5が設けられている。各々の充電コイルは、金属線材をスパイラル上に巻きつけて形成されている。
図6に示すように、検出コイル基板9には、複数の検出コイル12が形成されている。複数の検出コイル12は、検出コイル基板9の下面(本体ケース7の底板に対向するの面)に形成された第1の組の5つの検出コイルL1、L3、L5、L7、L9と、検出コイル基板9の上面(支持板6に対向するの面)に形成された第2の組の4つの検出コイルL2、L4、L6、L8とを含む。複数の検出コイル12は、第1の組の検出コイルの配列方向における端部(長辺)と、第2の組の検出コイルの配列方向における短辺のとが同一線上に位置するよう、平面視して重なるように配置されている。なお、図6では、説明上の分かり易さのため、第1の組の検出コイルを、第2の組の検出コイルに対し、紙面下方向にずらして示している。実際は、平面的に見て、第1の組の検出コイルの長辺の中点と第2の組の検出コイルの長辺の中点とが、同一線上に配置されるのが好ましい。
図7は、携帯端末充電装置5の制御ブロック図であり、制御部10の詳細を示している。制御部10は、検出コイル駆動部13と、充電コイル駆動部14とを有する。検出コイル駆動部13は、自励発振回路15と、検出コイル選択回路16と、インピーダンス測定回路17とを有する。インピーダンス測定回路17は、複数の検出コイル12の各々のインピーダンスの変化を監視する。検出コイル選択回路16は、複数の検出コイル12の各々と、自励発振回路15およびインピーダンス測定回路17とを、選択的に接続する。
一方、充電コイル駆動部14は、充電回路18と、充電コイル選択回路19とを有する。充電コイル選択回路19は、複数の充電コイル11の各々と充電回路18とを選択的に接続する。充電回路18は、車載電源(バッテリー)からの直流電力を、適切な振幅、周波数の交流電力に変換し、充電コイル11に供給する。具体的には、充電回路18は、DC−DCコンバータ20と、フルブリッジインバータ21とを含む。
制御部10に内蔵されたメモリ(図示せず)には、後に説明する検出コイル12のインピーダンス変化を判定するための閾値が記憶されている。
次に、本実施の形態の携帯端末充電装置の動作について、図8を参照しながら説明する。
図2に示す電源スイッチ22が押され、電源がオンとなると、制御部10は、支持板6の上面(携帯端末設置部)に携帯端末23が置かれたかどうかを検出するとともに、携帯端末23の置かれた位置(正確には、携帯端末内部の受電コイルの位置)を検出する。具体的には、自励発振回路15がONとなり、複数の検出コイル12に対してパルス波が出力される(S1)。このとき、インピーダンス測定回路17が複数の検出コイル12の各々のインピーダンスを順に測定する(S2)。そして、複数の検出コイル12のうち、何れの検出コイルでインピーダンスの変化があったかを監視する(S3)。なお、検出コイルから送信される磁界は、後に述べるピング動作の際に出力される磁界に比べて、その出力電圧が極めて小さいため、電磁波を利用する他の車載機器への影響は少ない。例えば、検出コイルの発振電圧が3.3Vであるのに対し、ピング動作の出力電圧は10V以上である。携帯端末が支持板6の上面に置かれると、受電コイルの位置に対応する検出コイルで測定されるインピーダンスの値が、携帯端末23が置かれていない場合と比較して増加する。よって、制御部10は、複数の検出コイル12の内のどの検出コイルにインピーダンス変化が生じたかによって、携帯端末23が置かれた位置を推定することができる。実際には、この時点では支持板6の上面に置かれた物体が充電可能な携帯端末か否かは判別できておらず、何らかの金属物体が置かれたこと、およびその位置を検出している。後に示すS7において上記物体との通信が成立してはじめて、制御部10は、その物体が充電可能な携帯端末であると判断し、充電動作に入る。S7において通信が成立しない場合、制御部10は、その物体は携帯端末ではなく、硬貨等の金属異物であると判断し、充電動作には入らない。
S3において、インピーダンス変化を監視する方法の一例として、インピーダンス測定回路17は、検出コイル12の各々の共振周波数、または共振電圧、あるいはその双方を測定し、メモリに記憶された閾値と比較する。閾値は、携帯端末23が置かれていない場合の通常レベルの共振周波数や共振電圧の値に設定されている。複数の検出コイル12の何れかにおいて、共振周波数または共振電圧の変化、あるいはその双方の変化が生じたことによって、インピーダンスが変化したことが分かる。より詳細には、共振電圧の変化がインピーダンス変化の抵抗成分(R成分)を、共振周波数がインピーダンス変化のリアクタンス成分(L成分)を、それぞれ反映している。支持板6の上面に金属製の物体が置かれると、共振周波数は増加し、共振電圧は低下する。
S3において、インピーダンスの変化を検知した場合、処理はS4へ移る。インピーダンスの変化を検知しなかった場合、処理は、再びS2に戻り、検出コイル12のインピーダンス測定をやり直す。
S4〜S7において、制御部10は、支持板6の上面に置かれた物体が、充電可能な携帯端末であるか否かを確認する。具体的には、複数の充電コイル11の中で、インピーダンス変化を検出した検出コイルに対応する充電コイルを選択し(S4)、選択された充電コイルから、磁界を出力させる(S6)。なお、充電コイルからの磁界出力の前に、自励発振回路15は一旦OFFされる(S5)。
次に、制御部10は、選択された充電コイルからの磁界出力に呼応して、携帯端末との間で予め取り決められた応答信号が得られたかどうかを確認する(S7)。S7において予め取り決められた応答信号が得られた場合、携帯端末23と通信が成立したと判断し、本格的な充電動作に入る(S8)。S7において、予め取り決められた応答信号が得られなかった場合は、通信不成立と判断し、処理は再びS1に戻る。
このように、携帯端末23からの応答有無を判断するまでの短い時間、磁界を出力する動作を、ピング(Ping)動作と呼ぶ。
ここで、携帯端末充電装置5がS4〜S7の動作を行う期間において、携帯端末23が行う動作を説明する。携帯端末23は、携帯端末充電装置5の充電コイルから出力された磁界を受信したことに呼応し、予め取り決められた応答信号を携帯端末充電装置5に返送する。このとき、携帯端末23は、受電コイルに接続された負荷の値を変動させる。この負荷変動の反射インピーダンスを携帯端末充電装置5の充電コイルに接続された信号受信回路が検出することにより、応答信号が受信される。このような信号の送受方法を負荷変調と呼ぶ。携帯端末23から返送される応答信号は、通信が成立したことを示すだけの単純な信号であっても良いし、携帯端末23の種類等を示すID情報を含んでいても良い。
携帯端末充電装置5の動作の説明に戻る。充電動作中(S8)において、制御部10は、携帯端末23との通信が継続して成立しているかを監視し、通信が継続していれば、充電を継続する。通信が途絶えた場合、処理はS1に戻り、携帯端末の有無を再度確認する。また、充電動作中(S8)において、制御部10は、携帯端末23より充電が完了したことを示す信号が送信されたか否かを監視し、充電が完了していなければ充電を継続し、充電が完了していれば、充電を停止する(S9)。
次に、上述のS3において検出されたインピーダンス変化の結果から、S4において選択する充電コイルをどのように決定するかについて説明する。
図9は、携帯端末充電装置5における充電コイル11と検出コイル12との配置関係、および、検出コイル12上に受電コイル24が置かれたときに各検出コイルで検出されるインピーダンス変化の例を説明する図である。図9では、説明上の分かり易さのため、検出コイル基板9を、充電コイル基板8に対し、紙面下方向にずらして示している。また、図6と同様に、検出コイルL1、L3、L5、L7、L9は、検出コイルL2、L4、L6、L8に対し、紙面下方向にずらして示している。実際は、平面的にみて、充電コイルの長辺の中点と検出コイルの長辺の中点とが、同一線上に配置されるのが好ましい。
本実施の形態では、検出コイル12には、充電コイル11のほぼ真上に配置されるものと、隣り合う2つの充電コイル上に跨って配置されるものとがある。
本実施の形態では、検出コイルL1、L3、L5、L7、L9では各々の検出コイルの配列方向における短辺のと、各々の充電コイルの配列方向における短辺のとが、ほぼ同一の線上に位置する。そのため、検出コイルL1、L3、L5、L7、L9はそれぞれ、対応する充電コイルのそれぞれのほぼ真上に配置されている。一方、検出コイルL2、L4、L6、L8では、各々の検出コイルの配列方向における短辺のが、充電コイルの配列方向における端(長辺)と重なっている。そのため検出コイルL2、L4、L6、L8は、隣り合う2つの充電コイルに跨って配置されている。
なお、このようなレイアウトの場合、各検出コイルの幅は、各充電コイルの幅の2分の1以上の大きさとすることが好ましい。検出コイルの幅が充電コイルの幅の2分の1よりも小さいと、検出コイル同士の間に隙間ができる。また、各検出コイルの長さは、各充電コイルの長さと略同一であることが好ましい。この構成により、充電コイルの概ね全領域を、検出コイルにより過不足なくカバーすることができる。なお、上述の説明において、「幅」とは、コイルの配列方向における長さであり、「長さ」とは「幅」に垂直な方向の長さを意味する。
インピーダンス測定回路17は、複数の検出コイル12のうち、どの検出コイルで最大のインピーダンス変化が検出されたかを判断する。上述した検出コイルL1、L3、L5、L7、L9の何れかで最大のインピーダンス変化が検出された場合、制御部10は、最大のインピーダンス変化が検出された検出コイルの真下にある充電コイルを、対応する充電コイルとして選択する。
一方、検出コイルL2、L4、L6、L8の何れかで最大のインピーダンス変化が検出された場合、制御部10は、携帯端末23の受電コイル24が2つの充電コイルの間に跨って置かれたと判断する。そして、制御部10は、最大のインピーダンス変化が検出された検出コイルの左右両隣(検出コイルの配列方向における両隣)の検出コイルにおけるインピーダンス変化も参照する。次に、制御部10は、これら左右両隣の検出コイルにおいて検出されたインピーダンス変化の大小を比較する。図9の例では、検出コイルL4において最大のインピーダンス変化が検出されたため、制御部10は、左右の検出コイルL3、L5におけるインピーダンス変化を参照する。図9の例では、右側の検出コイルL5で検出されたインピーダンス変化の方が大きい。この結果から、制御部10は、携帯端末23の受電コイル24が、検出コイルL4の中心に対して右側(検出コイルL5寄り)にずれていると判断し、検出コイルL4が跨る2つの充電コイルLc2、Lc3の内、右側(検出コイルL5寄り)の充電コイルLc3を選択する。
このようにして、置かれた受電コイル24の位置に対し、最適な充電コイルが選択される。
(実施の形態2)
図10は、本発明の実施の形態2による携帯端末充電装置における充電コイル11と検出コイル12との配置関係、および、検出コイル12上に受電コイル24が置かれたときに各検出コイルで検出されるインピーダンス変化の例を説明する図である。
本実施の形態では、実施の形態1と比べ、検出コイル12の数、および充電コイル11と検出コイル12の配置関係が異なる。実施の形態1では、奇数番号の振られた検出コイル、すなわち検出コイル基板9の下面(本体ケース7の底板に対向する面)に形成された検出コイルの各々が、充電コイル11の各々の真上に配置され、これらが第1の組の検出コイルを構成している。一方、偶数番号の振られた検出コイル、すなわち検出コイル基板9の上面(支持板6に対向する面)に形成された検出コイルの各々が、隣り合う2つの充電コイル上に跨って配置され、これらが第2の組の検出コイルを構成している。本実施の形態では、充電コイル11と検出コイル12とが実施の形態1とは異なるレイアウトで配置されている。それ以外の構成は実施の形態1と同様である。
本実施の形態では、検出コイルL1、L3、L6、L8では、各々の検出コイルの配列方向における中心と、対応する充電コイルのそれぞれの配列方向における中心とが、ほぼ同一の線上に位置する。すなわち、検出コイルL1、L3、L6、L8は対応する充電コイルのそれぞれのほぼ真上に配置されている。この4つの検出コイルを、第1の組の検出コイルとする。一方、検出コイルL2、L4、L5、L7では、各々の検出コイルの配列方向における中心が、対応する充電コイルのそれぞれの配列方向における端と重なる。すなわち、検出コイルL2、L4、L5、L7は、隣り合う2つの充電コイルに跨って配置されている。この4つの検出コイルを第2の組の検出コイルとする。なお、充電コイルLc3の真上に位置する検出コイルはない。
実施の形態2の動作は、次の通りである。まず、第1の組の検出コイル(L1、L3、L6、L8)の何れかで最大のインピーダンス変化が検出された場合は、最大のインピーダンス変化が検出された検出コイルの真下にある充電コイルが、対応する充電コイルとして選択される。
一方、第2の組の検出コイル(L2、L4、L5、L7)の何れかで最大のインピーダンス変化が検出された場合、制御部10は、携帯端末23の受電コイル24が2つの充電コイルの間に跨って置かれたと判断する。そして、制御部10は、最大のインピーダンス変化が検出された検出コイルの左右両隣(検出コイルの配列方向における両隣)の検出コイルにおけるインピーダンス変化も参照する。次に、制御部10は、これら左右両隣の検出コイルにおいて検出されたインピーダンス変化の大小を比較する。図10の例では、検出コイルL4において最大のインピーダンス変化が検出されたため、制御部10は、左右の検出コイルL3、L5におけるインピーダンス変化を参照する。図10の例では、右側の検出コイルL5のインピーダンス変化の方が大きい。この結果から、制御部10は、携帯端末23の受電コイル24が、検出コイルL4の中心に対して右側(検出コイルL5寄り)にずれていると判断し、検出コイルL4が跨る2つの充電コイルLc2、Lc3の内、右側(検出コイルL5寄り)の充電コイルLc3を選択する。
このようにして、置かれた受電コイル24の位置に対し、最適な充電コイルが選択される。
以上のように、充電コイルのほぼ真上に配置されている検出コイルを第1の組の検出コイルとする。そして隣り合う2つの充電コイルに跨って配置されている検出コイルを第2の組の検出コイルとする。このように対応付け、何れの組に属する検出コイルで最大のインピーダンス変化が検出されるかによって、制御部10の動作が決定される。本実施の形態のように、同じ組に属する検出コイルが検出コイル基板9の表面と裏面に分かれて形成されていても良い。
以上のように、本発明の携帯端末充電装置では、電力ロスが小さく、また、電磁波を使用する他の機器への影響を抑えることができる。そのため、特に、自動車の車内に設置した場合、車載ラジオへの影響を低減することができ。車載の充電装置として有用である。
1 自動車
2 車室
3 ハンドル
4 電子機器
5 携帯端末充電装置
6 支持板
7 本体ケース
8 充電コイル基板
9 検出コイル基板
10 制御部
11,Lc1,Lc2,Lc3,Lc4,Lc5 充電コイル
12,L1,L2,L3,L4,L5,L6,L7,L8,L9 検出コイル
13 検出コイル駆動部
14 充電コイル駆動部
15 自励発振回路
16 検出コイル選択回路
17 インピーダンス測定回路
18 充電回路
19 充電コイル選択回路
20 DC−DCコンバータ
21 フルブリッジインバータ
22 電源スイッチ
23 携帯端末
24 受電コイル

Claims (5)

  1. 携帯端末に対し、ワイヤレスで充電電力を送信するための携帯端末充電装置であって、
    複数の充電コイルと、
    複数の検出コイルと、
    前記複数の充電コイルおよび前記複数の検出コイルに電気的に接続された制御部と、を備え、
    前記複数の検出コイルは、第1の組と第2の組とからなり、
    前記第1の組の前記複数の検出コイルの各検出コイルは一対の長辺と一対の短辺を有する角形で、さらに、前記検出コイル同士の長辺が隣り合い一列に配列され、
    前記第2の組の前記複数の検出コイルの各検出コイルは一対の長辺と一対の短辺を有する角形で、さらに、前記検出コイル同士の長辺が隣り合い一列に配列され、
    前記複数の充電コイルの各充電コイルは一対の長辺と一対の短辺を有する角形で、さらに、前記充電コイル同士の長辺が隣り合い一列に配列されており、
    前記第1の組に属する検出コイルの配列方向における前記第1の組に属する各検出コイルの短辺のと、前記複数の充電コイルの配列方向における前記各充電コイルの短辺のとが平面視して重なり、
    さらに、
    前記第2の組に属する検出コイルの配列方向における前記第2の組に属する各検出コイルの短辺のと、前記複数の充電コイルの配列方向における前記充電コイル同士が隣り合う長辺とが平面視して重なるよう配置され
    前記制御部は、前記複数の検出コイルを駆動し、
    前記複数の検出コイルの駆動時に前記複数の検出コイルにより検出されるインピーダンス変化を監視し、
    前記複数の充電コイルのうち、インピーダンス変化を検出した検出コイルに対応する充電コイルを選択し、前記選択された充電コイルから磁界を出力させ、
    前記磁界に呼応して前記携帯端末との間で取り決められた応答信号を受信した場合、前記選択された充電コイルを用いて前記携帯端末を充電する、
    携帯端末充電装置。
  2. 前記複数の検出コイルの配列方向における前記複数の検出コイルの各々の幅は、前記複数の充電コイルの配列方向における前記複数の充電コイルの各々の幅の2分の1以上の大きさである、請求項1に記載の携帯端末充電装置。
  3. 前記第1の組に属する検出コイルのいずれかにおいて、最大のインピーダンス変化が検出された場合、前記制御部は、前記最大のインピーダンス変化が検出された検出コイルの真下に位置する充電コイルを選択する、請求項1、2のいずれか一項に記載の携帯端末充電装置。
  4. 前記第2の組に属する検出コイルのいずれかにおいて、最大のインピーダンス変化が検出された場合、前記制御部は、前記最大のインピーダンス変化が検出された検出コイルの両隣の検出コイルにおけるインピーダンス変化を参照し、前記両隣の検出コイルの内、インピーダンス変化が大きい方の検出コイルの真下に位置する充電コイルを選択する、請求項1〜3のいずれか一項に記載の携帯端末充電装置。
  5. 前記制御部は、前記充電コイルより送信された磁界に呼応して、前記携帯端末との間で取り決められた応答信号を受信しなかった場合、再び、前記複数の検出コイルにより検出されるインピーダンス変化を監視する、請求項1〜のいずれか一項に記載の携帯端末充電装置。
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